JP2014054800A - Driving method of piezoelectric material, driving method of droplet discharge head, droplet discharge head, and image recording device - Google Patents

Driving method of piezoelectric material, driving method of droplet discharge head, droplet discharge head, and image recording device Download PDF

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尚弥 近藤
Takakazu Kihira
孝和 木平
Shigeru Obata
小幡  茂
Yoshinori Bando
佳憲 坂東
Mitsuru Shingyouchi
充 新行内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To substantialize a driving method of a droplet discharge head which reduces a load of a piezoelectric device and suppresses deterioration of an electromechanical conversion capability to further suppress variation of a displacement when recovering the displacement of the piezoelectric device whose displacement characteristic is deteriorated due to long time application of a driving voltage.SOLUTION: A first waveform F, whose electric field strength exceeds a coercive electric field of an electromechanical conversion film, is applied to a piezoelectric actuator, and then a second waveform R, whose polarity is reverse to the first waveform F and electric field strength is less than the coercive electric field and falling and rising are expressed by a sine wave, is applied thereto.

Description

本発明は、圧電体の駆動方法、圧電体を用いた液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及びそれを備えた画像記録装置に関する。   The present invention relates to a driving method of a piezoelectric body, a driving method of a droplet discharge head using the piezoelectric body, a droplet discharge head, and an image recording apparatus including the same.

インクジェット記録装置は、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できるなど多くの利点がある。そのため、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置あるいは画像形成装置として広く展開されている。
インクジェット記録装置等において使用される液滴吐出ヘッドは、インク滴(液滴)を吐出するノズル孔と、このノズル孔が連通する液室(吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される)と、液室内のインクを吐出するための圧力発生手段を備えている。
圧力発生手段としては、圧電体を備える圧電素子である電気−機械変換素子(圧電アクチュエータ)を用いて、吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型と呼ばれるものが知られている。
なお、電気−機械変換素子に用いられる圧電体は、応力が印加されると電荷が発生し、逆に電界が印加されると伸張する性質を有しており、この性質を利用して、液滴吐出ヘッドに用いることが可能な電気−機械変換素子としての圧電アクチュエータを実現している。圧電体としては、例えば、三元系金属酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛、PZTを用いることが出来る。
ピエゾ型の圧力発生手段としては、d33方向(圧電素子の軸方向)の変形(伸長、収縮)を利用した縦振動(プッシュモード)型、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード/たわみ振動)型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。最近では半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の進歩により、Si(シリコン)基板に直接液室及び電気−機械変換素子を作り込んだ薄膜アクチュエータが考案されている。
The ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise and high-speed printing, and furthermore, an inexpensive plain paper having a degree of freedom of ink can be used. Therefore, it is widely deployed as an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying apparatus.
A droplet discharge head used in an inkjet recording apparatus or the like includes a nozzle hole that discharges an ink droplet (droplet) and a liquid chamber (discharge chamber, pressurized liquid chamber, pressure chamber, ink flow path) that communicates with the nozzle hole. And pressure generating means for discharging ink in the liquid chamber.
As the pressure generating means, an electro-mechanical conversion element (piezoelectric actuator), which is a piezoelectric element including a piezoelectric body, is used to piezo eject ink droplets by deforming and displacing the vibration plate forming the wall surface of the discharge chamber. What is called a mold is known.
In addition, the piezoelectric body used for the electromechanical conversion element has a property of generating electric charges when stress is applied and conversely expanding when an electric field is applied. A piezoelectric actuator is realized as an electro-mechanical conversion element that can be used in a droplet discharge head. As the piezoelectric body, for example, ternary metal oxide lead zirconate titanate or PZT can be used.
Piezo-type pressure generating means include longitudinal vibration (push mode) type using deformation (extension and contraction) in the d33 direction (axial direction of the piezoelectric element), and lateral vibration (bend mode / deflection) using deformation in the d31 direction. Vibration) type, and further, a shear mode type using shear deformation. Recently, a thin film actuator in which a liquid chamber and an electromechanical conversion element are directly formed on a Si (silicon) substrate has been devised due to advances in semiconductor processes and MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

ところで、このような圧電アクチュエータを繰り返し使用すると、圧電体の変位量に疲労現象が生じる。
すなわち、繰り返し駆動中に圧電体内部の分極が回転・伸縮を繰り返すため、駆動時間の経過とともに、その分極方向が内部電界形成とともに駆動電圧印加方向に沿って一部固定されてしまい、変位量が低下してしまうという問題である。
圧電体の変位量が経時によって低下すると、インクジェット式の記録装置においては、吐出滴体積、吐出滴速度などの吐出滴特性が安定しないという問題が生じる。
By the way, when such a piezoelectric actuator is repeatedly used, a fatigue phenomenon occurs in the displacement of the piezoelectric body.
That is, since the polarization inside the piezoelectric body repeatedly rotates and expands during repeated driving, the polarization direction is partially fixed along the drive voltage application direction along with the formation of the internal electric field as the drive time elapses. It is a problem that it drops.
When the amount of displacement of the piezoelectric body decreases with time, the ink jet recording apparatus has a problem that ejection droplet characteristics such as ejection droplet volume and ejection droplet velocity are not stable.

そこで、圧電素子の劣化した変位量を回復させるために、駆動電圧方向とは逆方向の電圧を印加することで、圧電体内部に形成された内部電界を破壊する方法が提案されている。
例えば、特許文献1、2には、長時間使用(駆動電圧を長時間印加)することにより圧電素子の変位特性(吐出滴特性)が低下してしまう現象を回復させる方法として、圧電素子に対し、駆動電圧方向とは逆方向(逆極性)に、抗電界以上の電界を印加することにより、圧電素子に形成された内部電界を破壊し変位特性を回復させることが開示されている。
Therefore, in order to recover the deteriorated displacement of the piezoelectric element, a method of destroying an internal electric field formed in the piezoelectric body by applying a voltage in the direction opposite to the driving voltage direction has been proposed.
For example, in Patent Documents 1 and 2, as a method for recovering a phenomenon in which the displacement characteristics (discharge droplet characteristics) of a piezoelectric element deteriorate due to long-term use (applied drive voltage for a long time), In addition, it is disclosed that an electric field higher than the coercive electric field is applied in a direction opposite to the driving voltage direction (reverse polarity), thereby destroying an internal electric field formed in the piezoelectric element and restoring displacement characteristics.

しかしながら、特許文献1、2に記載された手法によっては、圧電素子に印加する駆動電圧とは逆極性の電圧の強度を圧電素子の抗電界以上としているために、駆動波形の電圧方向とは逆方向に電荷の偏り・分極の偏りが生じ、変位特性が低下してしまうという問題があった。
本発明は、かかる問題を鑑みて、駆動電圧を長時間印加することにより変位特性が低下してしまった圧電素子(圧電アクチュエータ)における圧電体の変位量をより回復させることが可能な圧電体の駆動方法を提案することを目的とする。
However, depending on the methods described in Patent Documents 1 and 2, since the strength of the voltage having the opposite polarity to the driving voltage applied to the piezoelectric element is greater than the coercive electric field of the piezoelectric element, the voltage direction of the driving waveform is reversed. There is a problem in that the electric charge and polarization are deviated in the direction and the displacement characteristics are deteriorated.
In view of such a problem, the present invention provides a piezoelectric body capable of recovering the displacement of a piezoelectric body in a piezoelectric element (piezoelectric actuator) whose displacement characteristics have been degraded by applying a drive voltage for a long time. The purpose is to propose a driving method.

上記の課題を解決するために、請求項1の発明は、電圧を印加されることにより変形する圧電体の駆動方法であって、前記圧電体に対して、電界強度が前記圧電体の抗電界を超える第1の波形を印加した後、前記第1の波形に対して逆極性であり、且つ電界強度が前記抗電界未満のパルス波形である第2の波形を印加する圧電体の駆動方法を特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is a method of driving a piezoelectric body that is deformed by application of a voltage, wherein the electric field strength of the piezoelectric body is higher than that of the piezoelectric body. And applying a second waveform having a pulse waveform having a polarity opposite to that of the first waveform and an electric field strength less than the coercive electric field after applying a first waveform exceeding Features.

以上のように構成したので、本発明によれば、駆動電圧を長時間印加することにより変位特性が低下してしまった圧電体の変位量をより回復させることが可能な圧電体の駆動方法を実現することが可能となる。   As described above, according to the present invention, there is provided a piezoelectric body driving method capable of recovering the displacement amount of a piezoelectric body whose displacement characteristics have been degraded by applying a driving voltage for a long time. It can be realized.

本発明の電気−機械変換素子としての圧電素子を適用したインクジェット記録装置の斜視説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory perspective view of an ink jet recording apparatus to which a piezoelectric element as an electro-mechanical conversion element of the present invention is applied. 本発明の電気−機械変換素子としての圧電素子を適用したインクジェット記録装置の機構部の側面説明図。FIG. 3 is an explanatory side view of a mechanism portion of an ink jet recording apparatus to which a piezoelectric element as an electro-mechanical conversion element of the present invention is applied. 本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図(その1)。Sectional drawing which shows schematic structure of the droplet discharge head which concerns on this embodiment (the 1). 本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図(その2)。Sectional drawing which shows schematic structure of the droplet discharge head which concerns on this embodiment (the 2). 本実施形態の液滴吐出ヘッドにおいて圧電アクチュエータを駆動する処理系を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a processing system for driving a piezoelectric actuator in the droplet discharge head of the present embodiment. 圧電アクチュエータにおいて、電気−機械変換素子、上部電極、下部電極との関係を示す模式図。The schematic diagram which shows the relationship between an electromechanical conversion element, an upper electrode, and a lower electrode in a piezoelectric actuator. 本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータ50の代表的なP−Eヒステリシスループを示す図。The figure which shows the typical PE hysteresis loop of the piezoelectric actuator 50 in the droplet discharge head of this embodiment. 本実施形態による電気−機械変換素子に印加される電圧波形の一例を示す図。The figure which shows an example of the voltage waveform applied to the electromechanical conversion element by this embodiment. メニスカス固有振動周期Tcと逆極性波形Rとの関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the meniscus natural vibration period Tc and the reverse polarity waveform R. FIG. 本実施形態の電気−機械変換素子における変位変動の評価結果を示したグラフ図。The graph which showed the evaluation result of the displacement fluctuation | variation in the electromechanical conversion element of this embodiment. 本実施形態の電気−機械変換素子の変位の変化率を示した図。The figure which showed the change rate of the displacement of the electromechanical conversion element of this embodiment. 単純に逆極性のパルスを印加した場合(a)とメニスカス固有振動周期を考慮した際の振動板の変位(b)を示した図。The figure which showed the displacement (b) of the diaphragm when the pulse of a reverse polarity is simply applied (a) and the meniscus natural vibration period is considered.

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明に係る電気−機械変換素子としての圧電素子は、液滴吐出ヘッド及びそれを使用した画像形成装置(インクジェット記録装置)に適用可能である。
図1は、本発明の電気−機械変換素子としての圧電素子を適用したインクジェット記録装置の斜視説明図、図2は同記録装置の機構部の側面説明図である。
図1、図2に示すインクジェット記録装置は、記録装置本体1の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部2等を収納し、装置本体1の下方部には前方側から多数枚の用紙Pを積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい)4を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙Pを手差しで給紙するための手差しトレイ5を開倒することができ、給紙カセット4或いは手差しトレイ5から給送される用紙Pを取り込み、印字機構部2によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ6に排紙する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
The piezoelectric element as the electro-mechanical conversion element according to the present invention is applicable to a droplet discharge head and an image forming apparatus (inkjet recording apparatus) using the same.
FIG. 1 is a perspective explanatory view of an ink jet recording apparatus to which a piezoelectric element as an electro-mechanical conversion element of the present invention is applied, and FIG. 2 is a side explanatory view of a mechanism portion of the recording apparatus.
The ink jet recording apparatus shown in FIGS. 1 and 2 includes a carriage that can move in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 1, a recording head that includes the ink jet head that implements the present invention mounted on the carriage, and supplies ink to the recording head. A paper feed cassette (or a paper feed tray) 4 capable of storing a large number of sheets P from the front side is housed in the lower part of the apparatus main body 1. It can be detachably mounted, and the manual feed tray 5 for manually feeding the paper P can be opened, the paper P fed from the paper feed cassette 4 or the manual feed tray 5 is taken in, After a required image is recorded by the printing mechanism unit 2, the image is discharged to a paper discharge tray 6 mounted on the rear side.

印字機構部2は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド7と従ガイドロッド8とでキャリッジ9を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ9にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド10を複数のインク吐出口(ノズル孔)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ9にはヘッド10に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ11を交換可能に装着している。
インクカートリッジ11は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド10を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズル孔を有する1個のヘッドでもよい。
The printing mechanism section 2 holds a carriage 9 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 7 and a sub guide rod 8 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). (Y), cyan (C), magenta (M), black (Bk) The ink jet head according to the present invention for ejecting ink droplets of each color of the head 10 has a plurality of ink ejection openings (nozzle holes) in the main scanning direction. And are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. In addition, each ink cartridge 11 for supplying ink of each color to the head 10 is replaceably mounted on the carriage 9.
The ink cartridge 11 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside, and the capillary force of the porous body. Thus, the ink supplied to the inkjet head is maintained at a slight negative pressure. Further, although the heads 10 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzle holes for ejecting ink droplets of the respective colors may be used.

ここで、キャリッジ9は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド7に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド8に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ9を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ12で回転駆動される駆動プーリ13と従動プーリ14との間にタイミングベルト15を張装し、このタイミングベルト15をキャリッジ9に固定しており、主走査モータ12の正逆回転によりキャリッジ9が往復駆動される。   Here, the carriage 9 is slidably fitted to the main guide rod 7 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the secondary guide rod 8 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 9 in the main scanning direction, a timing belt 15 is stretched between a driving pulley 13 and a driven pulley 14 that are rotationally driven by a main scanning motor 12. The carriage 9 is reciprocally driven by forward and reverse rotations of the main scanning motor 12.

一方、給紙カセット4にセットした用紙Pをヘッド10の下方側に搬送するために、給紙カセット4から用紙Pを分離給装する給紙ローラ16及びフリクションパッド17と、用紙Pを案内するガイド部材18と、給紙された用紙Pを反転させて搬送する搬送ローラ19と、この搬送ローラ19の周面に押し付けられる搬送コロ20及び搬送ローラ19からの用紙Pの送り出し角度を規定する先端コロ21とを設けている。搬送ローラ19は副走査モータ22によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ9の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ19から送り出された用紙Pを記録ヘッド10の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材23を設けている。この印写受け部材23の用紙搬送方向下流側には、用紙Pを排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ24、拍車25を設け、更に用紙Pを排紙トレイ6に送り出す排紙ローラ26及び拍車27と、排紙経路を形成するガイド部材28、29とを配設している。
記録時には、キャリッジ9を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド10を駆動することにより、停止している用紙Pにインクを吐出して1行分を記録し、用紙Pを所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙Pの後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙Pを排紙する。
On the other hand, in order to convey the paper P set in the paper feeding cassette 4 to the lower side of the head 10, the paper feeding roller 16 and the friction pad 17 for separating and feeding the paper P from the paper feeding cassette 4 and the paper P are guided. A guide member 18, a transport roller 19 that reverses and transports the fed paper P, a transport roller 20 that is pressed against the peripheral surface of the transport roller 19, and a leading end that defines a feed angle of the paper P from the transport roller 19 A roller 21 is provided. The transport roller 19 is rotationally driven by a sub-scanning motor 22 through a gear train.
A printing receiving member 23 is provided as a paper guide member for guiding the paper P fed from the transport roller 19 on the lower side of the recording head 10 corresponding to the range of movement of the carriage 9 in the main scanning direction. A conveyance roller 24 and a spur 25 that are rotationally driven to send the paper P in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 23 in the paper conveyance direction, and the paper P is further delivered to the paper discharge tray 6. A roller 26 and a spur 27, and guide members 28 and 29 that form a paper discharge path are disposed.
At the time of recording, the recording head 10 is driven according to the image signal while moving the carriage 9, thereby ejecting ink onto the stopped paper P to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper P reaches the recording area, the recording operation is terminated and the paper P is discharged.

また、キャリッジ9の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド10の吐出不良を回復するための回復装置30を配置している。回復装置30はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ9は印字待機中にはこの回復装置30側に移動されてキャッピング手段でヘッド10をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド10の吐出口(ノズル孔)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このインクジェット記録装置においては、下記に説明する実施例1〜5の逆極性波形を有した波形で駆動させるインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、変位の変動も抑制されているため、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質を向上することが可能である。
Further, a recovery device 30 for recovering the ejection failure of the head 10 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the moving direction of the carriage 9. The recovery device 30 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 9 is moved to the recovery device 30 side during printing standby and the head 10 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.
When ejection failure occurs, the ejection port (nozzle hole) of the head 10 is sealed by the capping unit, and bubbles and the like are sucked out together with the ink from the ejection port by the suction unit through the tube. Etc. are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
In this ink jet recording apparatus, since the ink jet head driven by the waveform having the reverse polarity waveform of Examples 1 to 5 described below is mounted, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, and displacement is not caused. Since fluctuations are also suppressed, stable ink droplet ejection characteristics can be obtained, and image quality can be improved.

以下に、図1、図2に示したインクジェット記録装置に適用可能な、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの構成を説明する。
液滴吐出ヘッドは、圧電アクチュエータなどの圧力発生手段により、圧力室の容積を変化させ、圧力室内に供給されたインク等の液体をノズル孔から液滴として吐出させることにより、用紙等の記録媒体に画像を記録する。
図3、図4は、本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図であり、図3は、1ノズルの液滴吐出ヘッド、図4は、複数ノズル孔と各ノズル孔に対応する複数の圧力室を有する液滴吐出ヘッドを示す図である。
Hereinafter, a configuration of a droplet discharge head according to an embodiment of the present invention that can be applied to the ink jet recording apparatus illustrated in FIGS. 1 and 2 will be described.
The droplet discharge head changes the volume of the pressure chamber by pressure generating means such as a piezoelectric actuator, and discharges liquid such as ink supplied into the pressure chamber as droplets from the nozzle holes, thereby recording paper such as paper Record an image on
3 and 4 are cross-sectional views showing a schematic configuration of the droplet discharge head according to the present embodiment. FIG. 3 shows a droplet discharge head of one nozzle. FIG. 4 shows a plurality of nozzle holes and each nozzle hole. It is a figure which shows the droplet discharge head which has a some corresponding | compatible pressure chamber.

図3、図4に示す液滴吐出ヘッド40は、主に、電気−機械変換素子としての圧電アクチュエータ50と、液滴を吐出する一つ(図3)又は複数(図4)のノズル孔61を形成したノズルプレート(ノズル基板)60と、ノズル孔61と夫々連通した圧力室71を形成し圧力室基板70と、圧力室の壁面(底面)を構成するとともに圧電アクチュエータの変形に伴って振動して圧力室71の容積を変化させる振動板80を備えている。
また、図4に示す場合、圧力室基板70と振動板80との間には密着層90が介在している。この密着層については後述する。
図3、図4に示すように、圧電アクチュエータ50は、上部電極51と、電気−機械変換膜(圧電体)52と、下部電極53と、を備えている。
なお、図3、図4において、液滴吐出ヘッド40は、不図示の液室(圧力室)71に液体を供給する液体供給手段、流路、流体抵抗を備えている。
The droplet discharge head 40 shown in FIGS. 3 and 4 mainly includes a piezoelectric actuator 50 as an electro-mechanical conversion element and one (FIG. 3) or a plurality (FIG. 4) of nozzle holes 61 that discharge droplets. The nozzle plate (nozzle substrate) 60 formed with the pressure chamber 71, the pressure chamber 71 communicating with the nozzle hole 61, respectively, constitute the pressure chamber substrate 70, the wall surface (bottom surface) of the pressure chamber, and vibrate as the piezoelectric actuator deforms. Thus, a diaphragm 80 for changing the volume of the pressure chamber 71 is provided.
In the case shown in FIG. 4, an adhesion layer 90 is interposed between the pressure chamber substrate 70 and the diaphragm 80. This adhesion layer will be described later.
As shown in FIGS. 3 and 4, the piezoelectric actuator 50 includes an upper electrode 51, an electro-mechanical conversion film (piezoelectric body) 52, and a lower electrode 53.
3 and 4, the droplet discharge head 40 includes liquid supply means for supplying a liquid to a liquid chamber (pressure chamber) 71 (not shown), a flow path, and fluid resistance.

図5は、本実施形態の液滴吐出ヘッドにおいて圧電アクチュエータを駆動する処理系を示す図である。
液滴吐出ヘッド40又は上述したインクジェット記録装置本体1は、圧電アクチュエータ50を駆動する駆動電圧を印加するための駆動IC55を備えている。
また、装置本体1は、駆動ICを制御する制御部Ctrを備えている。
図5は、複数の液室に対応した複数の電気−機械変換膜の場合(図4の場合)を例示しているが、図3に示した単一のノズル孔とそれに対応する単一の液室を備える液滴吐出ヘッドにも適用可能であることは言うまでもない。
FIG. 5 is a diagram showing a processing system for driving the piezoelectric actuator in the droplet discharge head of the present embodiment.
The droplet discharge head 40 or the above-described ink jet recording apparatus main body 1 includes a drive IC 55 for applying a drive voltage for driving the piezoelectric actuator 50.
Further, the apparatus main body 1 includes a control unit Ctr that controls the drive IC.
FIG. 5 illustrates the case of a plurality of electro-mechanical conversion membranes corresponding to a plurality of liquid chambers (in the case of FIG. 4). However, the single nozzle hole shown in FIG. Needless to say, the present invention is also applicable to a droplet discharge head having a liquid chamber.

圧電アクチュエータ50を駆動する駆動IC55は、共通電極(下部電極)53に基準電圧Vbを印加し、個別電極(上部電極)51に駆動電圧Vaをそれぞれ印加する。電気−機械変換膜52は、|Va−Vb|で表される電位差に基づいて変形する。この電気−機械変換膜52の変形が、図3、図4に示す振動板80を介して圧力室71に伝わり、これによるポンプ作用でインクはノズル孔61からインク滴として吐出する。
なお、本実施例において、電気−機械変換膜52の変位量を回復させるための信号波形は、駆動IC55を制御する制御部Ctrによる制御によって印加されるものである。
制御部Ctrは、例えば、命令を実行するCPUと、制御プログラムを格納するROMと、CPUによる実行のために制御プログラム及び一時的なデータを展開する作業領域としてのRAMを少なくとも備えている。
下記に説明する信号波形の印加は、制御ブログラムに従った、CPUによる駆動IC55の制御により実現されるものである。
The drive IC 55 that drives the piezoelectric actuator 50 applies the reference voltage Vb to the common electrode (lower electrode) 53 and applies the drive voltage Va to the individual electrode (upper electrode) 51. The electromechanical conversion film 52 is deformed based on a potential difference represented by | Va−Vb |. The deformation of the electro-mechanical conversion film 52 is transmitted to the pressure chamber 71 via the diaphragm 80 shown in FIGS. 3 and 4, and ink is ejected from the nozzle holes 61 as ink droplets by the pumping action.
In this embodiment, the signal waveform for recovering the displacement amount of the electro-mechanical conversion film 52 is applied by control by the control unit Ctr that controls the drive IC 55.
The control unit Ctr includes, for example, at least a CPU that executes instructions, a ROM that stores a control program, and a RAM as a work area that expands the control program and temporary data for execution by the CPU.
The application of the signal waveform described below is realized by the control of the drive IC 55 by the CPU according to the control program.

ここで、本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する。
図6は、本実施形態の液滴吐出ヘッドを構成する基板或いは薄膜の配置関係を示した図である。
図6に示すように、本実施形態に係る電気−機械変換素子は、基板材料100、成膜振動板材料101、第1の電極材料102、電気−機械変換膜材料103、第2の電極材料104と、から製造される。
Here, a manufacturing method of the droplet discharge head of this embodiment will be described.
FIG. 6 is a diagram showing the arrangement relationship of the substrates or thin films constituting the droplet discharge head of this embodiment.
As shown in FIG. 6, the electro-mechanical conversion element according to this embodiment includes a substrate material 100, a film formation diaphragm material 101, a first electrode material 102, an electro-mechanical conversion film material 103, and a second electrode material. 104.

[圧力室基板]
基板材料100は、図3、図4に示した圧力室基板70を構成する基板であり、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。
なお、シリコン単結晶の面方位は、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に面方位が(100)、(111)のシリコン単結晶が広く使用されている。
本実施形態においても、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。
また、図3、図4に示すような圧力室71を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板100を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。
異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。
[Pressure chamber substrate]
The substrate material 100 is a substrate that constitutes the pressure chamber substrate 70 shown in FIGS. 3 and 4, and a silicon single crystal substrate is preferably used, and usually has a thickness of 100 to 600 μm.
There are three types of plane orientations of silicon single crystals: (100), (110), and (111). In the semiconductor industry, silicon single crystals with plane orientations of (100) and (111) are generally widely used. Has been.
Also in this embodiment, a single crystal substrate mainly having a (100) plane orientation is mainly used.
Further, when the pressure chamber 71 as shown in FIGS. 3 and 4 is manufactured, the silicon single crystal substrate 100 is processed using etching. In this case, as an etching method, anisotropic etching is used. Is generally used.
Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure.

例えばKOH(水酸化カリウム)等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体を作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を掘ることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。
従って、本構成としては(110)の面方位を持ったシリコン単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、エッチングの際のマスク材であるSiOもエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。
For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH (potassium hydroxide), the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Therefore, while a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), a deep groove can be dug in the plane orientation (110), so that the arrangement density is increased while maintaining rigidity. I know you can.
Therefore, it is possible to use a silicon single crystal substrate having a (110) plane orientation as this configuration. However, in this case, since SiO 2 which is a mask material at the time of etching is also etched, this area is also used with attention.

[振動板]
振動板80としては、図3、図4に示すように電気−機械変換膜52によって発生した力を受けて、下地(振動板80)が変形変位して、圧力室のインク滴を吐出させる。
そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。振動板材料101としては、Si、SiO、SiをCVD(Chemical Vapor Deposition:化学蒸着)法により作製したものが挙げられる。
また、振動板材料101としては、図3、図4に示される下部電極(共通電極)53、電気−機械変換膜52の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
[Diaphragm]
As shown in FIGS. 3 and 4, the diaphragm 80 receives the force generated by the electromechanical conversion film 52, and the base (the diaphragm 80) is deformed and displaced to discharge ink droplets in the pressure chamber.
Therefore, it is preferable that the base has a predetermined strength. Examples of the diaphragm material 101 include those prepared by CVD (Chemical Vapor Deposition) using Si, SiO 2 , or Si 3 N 4 .
Moreover, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the lower electrode (common electrode) 53 and the electromechanical conversion film 52 shown in FIGS. 3 and 4 as the diaphragm material 101.

特に、電気−機械変換膜52としては、電気−機械変換膜材料102(後述)として、一般的にPZT(Lead Titanate Zirconate:チタン酸ジルコン酸鉛)が使用されることから線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6の線膨張係数を有した材料が好ましく、更には7×10−6〜9×10−6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
PZTに熱膨張係数が近い具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等を挙げることが出来、これらの材料を用いた振動板80は、スパッタ法もしくは、Sol−Gel法を用いてスピンコータにて作製することができる。
振動板80(振動板材料101)の膜厚としては、0.1〜10μmが好ましく、0.5〜3μmが更に好ましい。この範囲より膜厚が小さい(薄い)と、図3、図4に示すような圧力室71の加工が難しくなり、この範囲より大きい(厚い)と振動板80自体変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。
In particular, as the electro-mechanical conversion film 52, since PZT (Lead Titanate Zirconate) is generally used as the electro-mechanical conversion film material 102 (described later), the linear expansion coefficient is 8 × 10. As a linear expansion coefficient close to −6 (1 / K), a material having a linear expansion coefficient of 5 × 10 −6 to 10 × 10 −6 is preferable, and more preferably 7 × 10 −6 to 9 × 10 −6 . A material having a linear expansion coefficient is more preferable.
Specific materials having a thermal expansion coefficient close to that of PZT include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. The diaphragm 80 using these materials can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a Sol-Gel method.
As a film thickness of the diaphragm 80 (diaphragm material 101), 0.1-10 micrometers is preferable and 0.5-3 micrometers is still more preferable. If the film thickness is smaller (thin) than this range, the processing of the pressure chamber 71 as shown in FIGS. 3 and 4 becomes difficult, and if it is larger (thick) than this range, the vibration plate 80 itself is difficult to deform and displace. Discharge becomes unstable.

[上部電極、下部電極]
上部電極(個別電極)となる第1の電極材料102、下部電極(共通電極)となる第2の電極材料104としては、金属材料としては従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いられているが、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜も用いることが出来る。
また、白金を使用する場合には、振動板80(特にSiO)との密着性が悪いために、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に密着層90(図4)として積層することが好ましい。
各電極の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚は0.05〜1μmが好ましく、0.1〜0.5μmが更に好ましい。
また、電気−機械変換膜52の変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、第1の電極(下部電極53)と電気−機械変換膜52及び電気−機械変換膜52と第2の電極(上部電極51)との間にSrRuO、LaNiOなどの導電性酸化物を電極部として積層することが好ましい。
[Upper and lower electrodes]
As the first electrode material 102 to be the upper electrode (individual electrode) and the second electrode material 104 to be the lower electrode (common electrode), platinum having high heat resistance and low reactivity has been conventionally used as a metal material. However, it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead, and platinum group elements such as iridium and platinum-rhodium, and alloy films thereof can also be used.
Further, when platinum is used, since the adhesion with the diaphragm 80 (especially SiO 2 ) is poor, the adhesion layer 90 is first formed of Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5 or the like. (FIG. 4) is preferably laminated.
As a method for producing each electrode, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. The film thickness is preferably 0.05 to 1 μm, and more preferably 0.1 to 0.5 μm.
In addition, because of concerns over the fatigue characteristics of the electro-mechanical conversion film 52 over time, the first electrode (lower electrode 53), the electro-mechanical conversion film 52, the electro-mechanical conversion film 52, and the second electrode (upper part). It is preferable to laminate a conductive oxide such as SrRuO 3 or LaNiO 3 as an electrode portion between the electrode 51).

[電気−機械変換膜(圧電体]
上述したように、電気−機械変換膜52としては、PZTを主に使用している。
PZTとはジルコン酸鉛(PbTiO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体であり、その比率により特性が異なっている。
一般的に、PbZrOとPbTiOの比率が53:47の組成で優れた圧電特性を示す。
その場合のPZTを化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)Oとなり、一般的には、PZT(53/47)と示される。
電気−機械変換膜52の他の材料は、一般式ABOにより記述され、A=Pb、Ba、Sr、B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。
その具体的な記述は(Pb1−x,Ba)(Zr,Ti)O、(Pb)(Zr,Ti,Nb1−x−y)Oとなる。これはAサイトのPbを一部Baで置換した場合及びBサイトのZr、Tiを一部Nbで置換した場合を示している。
このような置換はPZTの変位特性の改善に向けた材料改質で行なわれる。PZT以外の酸化物としてはチタン酸バリウム、鉄酸ビスマスなどが上げられる。
[Electro-mechanical conversion film (piezoelectric material)]
As described above, PZT is mainly used as the electro-mechanical conversion film 52.
PZT is a solid solution of lead zirconate (PbTiO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio.
Generally, excellent piezoelectric characteristics are exhibited with a composition in which the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47.
As the shows the PZT when the chemical formula Pb (Z r0.53, Ti 0.47) O 3 becomes, generally indicated as PZT (53/47).
The other material of the electro-mechanical conversion film 52 is described by the general formula ABO 3 , and A = Pb, Ba, Sr, B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb as a main component. Applicable.
The specific description is (Pb 1-x , Ba x ) (Zr, Ti) O 3 , (Pb) (Zr x , Ti y , Nb 1-xy ) O 3 . This shows a case where Pb at the A site is partially substituted with Ba and a case where Zr and Ti at the B site are partially substituted with Nb.
Such replacement is performed by material modification for improving the displacement characteristics of PZT. Examples of oxides other than PZT include barium titanate and bismuth ferrate.

電気−機械変化膜52は、スパッタ法もしくは、Sol−Gel法を用いてスピンコータにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
PZTをSol−Gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定化剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどを適量添加しても良い。
下地基板全面にPZT膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。
電気−機械変換膜52の膜厚は0.5〜5μmが好ましく、更に好ましくは1μm〜2μmとなる。この範囲より小さいと十分な変位を発生することが出来なくなり、この範囲より大きいと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。
The electro-mechanical change film 52 can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a Sol-Gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.
When PZT is produced by the Sol-Gel method, a PZT precursor solution can be produced by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. . Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of acetylacetone, acetic acid, diethanolamine or the like may be added to the precursor solution as a stabilizer.
When a PZT film is obtained on the entire surface of the base substrate, it is obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film.
The film thickness of the electromechanical conversion film 52 is preferably 0.5 to 5 μm, and more preferably 1 μm to 2 μm. If it is smaller than this range, it will not be possible to generate a sufficient displacement, and if it is larger than this range, many layers will be laminated, resulting in an increase in the number of steps and a longer process time.

本発明によれば、圧電アクチュエータ50が簡便な製造工程で(かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ)形成でき、その後の圧力室形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル孔を有するノズル板を接合することで液体吐出ヘッドが完成する。   According to the present invention, the piezoelectric actuator 50 can be formed by a simple manufacturing process (and having performance equivalent to that of bulk ceramics), and the etching plate is removed from the back surface for forming the pressure chamber, and the nozzle plate having the nozzle holes is formed. The liquid discharge head is completed by bonding.

以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
[実施例1]
まず、以下のように、圧電アクチュエータ50を作製した。
圧力室基板70となる基板材料100としてのシリコンウエハに、振動板80となる振動板材料101としての熱酸化膜(膜厚1μm)を形成し、密着層90としてのチタン膜(膜厚50nm)を形成した。
さらに、引き続いて、下部電極53となる第1の電極材料102として白金膜(膜厚250nm)、SrRuO3膜(膜厚50nm)を順次スパッタ成膜した。
上記のチタン膜は、熱酸化膜と白金膜の間の密着層90としての役割を持つ。
下部電極53を得るためのスパッタ成膜時の基板加熱温度については550℃にて成膜を実施した。
Examples of the present invention will be described in detail below.
[Example 1]
First, the piezoelectric actuator 50 was produced as follows.
A thermal oxide film (film thickness: 1 μm) as a vibration plate material 101 as a vibration plate 80 is formed on a silicon wafer as a substrate material 100 as a pressure chamber substrate 70, and a titanium film (film thickness: 50 nm) as an adhesion layer 90 Formed.
Subsequently, as the first electrode material 102 to be the lower electrode 53, a platinum film (film thickness 250 nm) and a SrRuO 3 film (film thickness 50 nm) were sequentially formed by sputtering.
The titanium film serves as an adhesion layer 90 between the thermal oxide film and the platinum film.
The substrate was heated at 550 ° C. during the sputtering film formation for obtaining the lower electrode 53.

次に、電気−機械変換膜52となる電気−機械変換膜材料103として、Pb:Zr:Ti=110:53:47の組成比で調合した溶液を準備した。
具体的な前駆体塗布液の合成について、出発材料として酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。
酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後に脱水した。
化学量論組成に対し、鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上述した酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。
Next, a solution prepared with a composition ratio of Pb: Zr: Ti = 110: 53: 47 was prepared as the electro-mechanical conversion film material 103 to be the electro-mechanical conversion film 52.
For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and isopropoxide zirconium were used as starting materials.
The crystal water of lead acetate was dehydrated after dissolving in methoxyethanol.
The amount of lead is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.
Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the above-mentioned methoxyethanol solution in which lead acetate was dissolved.

このPZT濃度は、0.5モル/リットルとした。このPZT前駆体溶液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後に120℃乾燥→500℃熱分解を行った。
3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度750℃)をRTA(Rapid Heat Treatment:急速熱処理)により実施した。
このときPZTの膜厚は240nmであった。この工程を計8回(24層)実施し、約2μmのPZT膜厚を得た。
The PZT concentration was 0.5 mol / liter. Using this PZT precursor solution, a film was formed by spin coating, and after film formation, 120 ° C. drying → 500 ° C. thermal decomposition was performed.
After thermal decomposition treatment of the third layer, crystallization heat treatment (temperature: 750 ° C.) was performed by RTA (Rapid Heat Treatment).
At this time, the film thickness of PZT was 240 nm. This process was performed a total of 8 times (24 layers) to obtain a PZT film thickness of about 2 μm.

次に第2の電極51となる第2の電極材料104として、SrRuO3膜(膜厚40nm)、白金膜(膜厚125nm)を順次スパッタ成膜した。
このスパッタ成膜時の基板温度については300℃にて成膜を実施した。
SrRuO3膜についてはRTA処理にて酸素雰囲気中で550℃/300sのポストアニール処理をした。
その後、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICP(誘導結合プラズマ)エッチング装置を用いてパターンを作製した。
Next, as the second electrode material 104 to be the second electrode 51, an SrRuO 3 film (film thickness 40 nm) and a platinum film (film thickness 125 nm) were sequentially formed by sputtering.
Film formation was performed at a substrate temperature of 300 ° C. during the sputtering film formation.
The SrRuO 3 film was post-annealed at 550 ° C./300 s in an oxygen atmosphere by RTA treatment.
Thereafter, a photoresist was formed by spin coating, a resist pattern was formed by ordinary photolithography, and then a pattern was formed using an ICP (inductively coupled plasma) etching apparatus.

次に、後の圧力室71を形成するために、シリコン単結晶基板100を所望の厚さt(例えば厚さ80μm)になるように、公知の技術で研磨した。
研磨法以外にもエッチングなどでもよい。次に、リソグラフィー法により、圧力室71以外の隔壁部をレジストで被覆する。その後、アルカリ溶液(KOH溶液、あるいはTMHA溶液)で異方性ウェットエッチングをおこない圧力室71を形成し、図3、図4のような圧電アクチュエータ50及びそれにより構成される液体吐出ヘッドを作製した。
Next, in order to form the subsequent pressure chamber 71, the silicon single crystal substrate 100 was polished by a known technique so as to have a desired thickness t (for example, a thickness of 80 μm).
Etching may be used in addition to the polishing method. Next, the partition walls other than the pressure chamber 71 are covered with a resist by a lithography method. Thereafter, anisotropic wet etching was performed with an alkaline solution (KOH solution or TMHA solution) to form a pressure chamber 71, and a piezoelectric actuator 50 as shown in FIGS. 3 and 4 and a liquid discharge head constituted by the piezoelectric actuator 50 were produced. .

図7は、上記の手順で作製した本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける電気−機械変換素子(圧電アクチュエータ)50の代表的なP−Eヒステリシスループを示す図である。
この圧電アクチュエータ50の抗電界は、図7に示すように20kV/cm程度である。なお、抗電界とは、圧電体における分極の符号(向き)が反転する電場の強さを意味する。
上記のように作成した液滴吐出ヘッドの圧電アクチュエータ50について、変位量の変動評価を行った。
FIG. 7 is a diagram showing a typical PE hysteresis loop of the electromechanical conversion element (piezoelectric actuator) 50 in the liquid droplet ejection head according to the present embodiment manufactured by the above procedure.
The coercive electric field of the piezoelectric actuator 50 is about 20 kV / cm as shown in FIG. The coercive electric field means the strength of an electric field that reverses the sign (direction) of polarization in the piezoelectric body.
Variation evaluation of the displacement amount was performed on the piezoelectric actuator 50 of the droplet discharge head prepared as described above.

図8は、本実施形態において圧電アクチュエータ50に印加される電圧波形を示す図である。
図8に示すように、最大値が電圧V1の駆動波形Fに対し、電気−機械変換膜52の抗電界相当の電圧を超えない駆動波形Fの電圧V1とは逆極性の電圧−V2の逆極性波形Rが印加する。
図8に示す印加電圧波形について、[実施例1]では、上述の制御プログラムに従った制御部Ctrの制御により、抗電界(図7の(1))を超える電界強度V1=150kV/cmの駆動パルス波形F(駆動電圧Va)をT1=500ms印加したあと、抗電界を超えない駆動波形Fとは逆極性の電界強度V2=−15kV/cmの逆極性パルス波形RをT2=500ms印加した。すなわち、駆動波形Fと逆極性波形Rの組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。
FIG. 8 is a diagram showing a voltage waveform applied to the piezoelectric actuator 50 in the present embodiment.
As shown in FIG. 8, with respect to the drive waveform F having the maximum value of voltage V1, the voltage -V2 having the opposite polarity to the voltage V1 of the drive waveform F that does not exceed the voltage corresponding to the coercive electric field of the electromechanical conversion film 52 is obtained. Polarity waveform R is applied.
With regard to the applied voltage waveform shown in FIG. 8, in [Example 1], the electric field strength V1 exceeding the coercive electric field ((1) in FIG. 7) is 150 kV / cm by the control of the control unit Ctr in accordance with the control program described above. After applying the drive pulse waveform F (drive voltage Va) for T1 = 500 ms, the reverse polarity pulse waveform R having the opposite polarity to the drive waveform F not exceeding the coercive electric field V2 = −15 kV / cm was applied for T2 = 500 ms. . That is, a waveform having a combination of the drive waveform F and the reverse polarity waveform R as one sequence was applied.

このときの逆極性波形Rの立ち下がり及び立ち上がりは半周期分の正弦波で規定した。ここでいう半周期分の正弦波は、液滴吐出ヘッドのノズル孔の液面におけるメニスカス固有振動周期Tcから導出した。
逆極性波形Rの立ち下がり及び立ち上がりは、必ずしもメニスカス固有振動周期Tcから導出する必要はないが、後述する理由によって圧電体への負荷を回避するためには、メニスカス固有振動周期Tcに基づいて設定することが好適である。
The fall and rise of the reverse polarity waveform R at this time were defined by a half-cycle sine wave. The half-cycle sine wave here was derived from the meniscus natural oscillation period Tc at the liquid level of the nozzle hole of the droplet discharge head.
The falling and rising of the reverse polarity waveform R do not necessarily have to be derived from the meniscus natural vibration period Tc. However, in order to avoid a load on the piezoelectric body for the reason described later, it is set based on the meniscus natural vibration period Tc. It is preferable to do.

図9は、駆動電圧と圧電素子の変位量との関係及びメニスカス固有振動周期Tcと逆極性波形Rとの関係を示すグラフ図である。
図9に示すように、逆極性波形Rのパルスの立ち下がりタイミング(時間)、立ち上がりタイミング(時間)は、メニスカス固有振動周期の正弦波110の波形にほぼ一致するように設定されている。
逆極性波形Rの立ち下がりは、図9に示すメニスカス固有振動周期Tcの正弦波110において、初期位相を0とした時の、角周波数π/2〜3π/2の区間、立ち上がりは角周波数−π/2〜π/2の区間とするのが好適である。
なお、メニスカス固有振動周期Tcは、図9に示すような振動評価や等価回路法によって導出される。
[実施例1]の逆極性波形のパルス波形では、立ち下がり時間T、立ち上がり時間Trはメニスカス固有振動周期の整数倍である3.4μs、パルス幅Twもメニスカス固有振動周期の整数倍である3.4μsとした。
なお、逆極性パルス波形Rのパルス印加回数は、1000回以上であることが望ましい。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the driving voltage and the displacement amount of the piezoelectric element, and the relationship between the meniscus natural vibration period Tc and the reverse polarity waveform R.
As shown in FIG. 9, the fall timing (time) and rise timing (time) of the pulse of the reverse polarity waveform R are set so as to substantially coincide with the waveform of the sine wave 110 having the meniscus natural vibration period.
The fall of the reverse polarity waveform R is a section of the angular frequency π / 2 to 3π / 2 when the initial phase is 0 in the sine wave 110 having the meniscus natural oscillation period Tc shown in FIG. A section of π / 2 to π / 2 is preferable.
The meniscus natural vibration period Tc is derived by vibration evaluation or an equivalent circuit method as shown in FIG.
In the pulse waveform of the reverse polarity waveform of [Example 1], the fall time T f and the rise time Tr are 3.4 μs which is an integral multiple of the meniscus natural vibration period, and the pulse width Tw is also an integral multiple of the meniscus natural vibration period. It was 3.4 μs.
Note that the number of pulse application of the reverse polarity pulse waveform R is desirably 1000 times or more.

[実施例2]
[実施例1]と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Fと逆極性波形Rの組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。具体的には、図8に示す印加電圧波形について、電界強度V1=150kV/cmの駆動パルス波形をT1=500ms印加したあと、電界強度V2=−5kV/cmの逆極性パルス波形をT2=500ms印加した。このときの逆極性波形Rのパルス形状は、立ち下り時間T、立ち上がり時間Trをメニスカス固有振動周期の整数倍の3.4μs、パルス幅Twもメニスカス固有振動周期の整数倍の3.4μsのパルス波形とした。
[Example 2]
Using the same droplet discharge head as in Example 1, a waveform having a combination of the drive waveform F and the reverse polarity waveform R as one sequence was applied. Specifically, for the applied voltage waveform shown in FIG. 8, after applying a drive pulse waveform with an electric field strength V1 = 150 kV / cm for T1 = 500 ms, a reverse polarity pulse waveform with an electric field strength V2 = −5 kV / cm is applied with T2 = 500 ms. Applied. The pulse shape of the reverse polarity waveform R at this time is as follows: the fall time T f , the rise time Tr is 3.4 μs which is an integral multiple of the meniscus natural vibration period, and the pulse width Tw is 3.4 μs which is an integral multiple of the meniscus natural vibration period. A pulse waveform was used.

[実施例3]
[実施例1]と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Fと逆極性波形Rの組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。具体的には、図8に示す印加電圧波形について、電界強度V1=150kV/cmの駆動波形FをT1=900ms印加したあと、電界強度V2=−15kV/cmの実施例1のパルス形状の逆極性波形をT2=100ms印加した。このときの逆極性波形Rのパルス波形では、立ち下り時間T、立ち上がり時間Tを、メニスカス固有振動周期の整数倍の3.4μs、パルス幅Twもメニスカス固有振動周期の整数倍の3.4μsとした。
[Example 3]
Using the same droplet discharge head as in Example 1, a waveform having a combination of the drive waveform F and the reverse polarity waveform R as one sequence was applied. Specifically, with respect to the applied voltage waveform shown in FIG. 8, after applying a driving waveform F with an electric field strength V1 = 150 kV / cm for T1 = 900 ms, the reverse of the pulse shape of Example 1 with an electric field strength V2 = −15 kV / cm. A polarity waveform was applied at T2 = 100 ms. In the pulse waveform of the reverse polarity waveform R at this time, the falling time T f and the rising time Tr are 3.4 μs which is an integral multiple of the meniscus natural vibration period, and the pulse width Tw is also an integral multiple of the meniscus natural vibration period. 4 μs.

[実施例4]
[実施例1]と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Fと逆極性波形Rの組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。具体的には、図8に示す印加電圧波形について、電界強度V1=150kV/cmの駆動波形FをT1=500ms印加したあと、電界強度V2=−15kV/cmの逆極性波形をT2=500ms印加した。
このときの逆極性波形Rのパルス波形では、立ち下り時間T、立ち上がり時間Tを共にメニスカス固有振動周期の整数倍の3.4μs、パルス幅Twはメニスカス固有振動周期の半整数倍の1.7μsのパルス波形とした。
[Example 4]
Using the same droplet discharge head as in Example 1, a waveform having a combination of the drive waveform F and the reverse polarity waveform R as one sequence was applied. Specifically, with respect to the applied voltage waveform shown in FIG. 8, a drive waveform F with an electric field strength V1 = 150 kV / cm is applied for T1 = 500 ms, and then a reverse polarity waveform with an electric field strength V2 = −15 kV / cm is applied with T2 = 500 ms. did.
In the pulse waveform of the reverse polarity waveform R at this time, the fall time T f and the rise time Tr are both 3.4 μs which is an integral multiple of the meniscus natural vibration period, and the pulse width Tw is 1 which is a half integer multiple of the meniscus natural vibration period. The pulse waveform was 7 μs.

[実施例5]
[実施例1]と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Fと逆極性波形Rの組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。具体的には、電界強度V1=150kV/cmの駆動波形FをT1=500ms印加したあと、電界強度V2=−15kV/cmの逆極性波形RをT2=500ms印加した。このときの逆極性波形Rのパルス波形では、立ち下がり時間T、立ち上がり時間Trが11.7μs、パルス幅Twが1.7μsのパルス波形とした。
[Example 5]
Using the same droplet discharge head as in Example 1, a waveform having a combination of the drive waveform F and the reverse polarity waveform R as one sequence was applied. Specifically, after applying a driving waveform F having an electric field strength V1 = 150 kV / cm for T1 = 500 ms, a reverse polarity waveform R having an electric field strength V2 = −15 kV / cm was applied for T2 = 500 ms. The pulse waveform of the reverse polarity waveform R at this time is a pulse waveform having a falling time T f , a rising time Tr of 11.7 μs, and a pulse width Tw of 1.7 μs.

[比較例1]
[実施例1]と同じ液滴吐出ヘッドを用い、抗電界を超える電界強度150kV/cmの駆動波形Fを、500ms印加した。駆動波形F後の逆極性波形Rは印加していない。
[比較例2]
[実施例1]と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Fと逆極性波形Rの組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。すなわち、電界強度V1=150kV/cmの駆動波形FをT1=500ms印加したあと、電界強度V2=−15kV/cmの逆極性波形Rを立ち上がり時間T、立下り時間Trを共に1μs、パルス幅を4μsとした波形をT2=500ms印加した。
[比較例3]
[実施例1]と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Fと逆極性DCバイアスの組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。すなわち、電界強度V1=150kV/cmの駆動波形FをT1=500ms印加したあと、電界強度V2=−5kV/cmの逆極性DCバイアスをT2=500ms印加した。
[Comparative Example 1]
Using the same droplet discharge head as in [Example 1], a drive waveform F having an electric field strength of 150 kV / cm exceeding the coercive electric field was applied for 500 ms. The reverse polarity waveform R after the drive waveform F is not applied.
[Comparative Example 2]
Using the same droplet discharge head as in Example 1, a waveform having a combination of the drive waveform F and the reverse polarity waveform R as one sequence was applied. That is, after applying a driving waveform F with an electric field strength V1 = 150 kV / cm for T1 = 500 ms, a reverse polarity waveform R with an electric field strength V2 = −15 kV / cm is set to a rise time T f and a fall time Tr of 1 μs, and a pulse width. Was applied with a waveform of T2 = 500 ms.
[Comparative Example 3]
The same droplet ejection head as in Example 1 was used, and a waveform having a combination of the driving waveform F and the reverse polarity DC bias as one sequence was applied. That is, after applying a driving waveform F having an electric field strength V1 = 150 kV / cm for T1 = 500 ms, a reverse polarity DC bias having an electric field strength V2 = −5 kV / cm was applied for T2 = 500 ms.

以下は、上記実施例及び比較例における駆動波形及び逆極性波形の詳細をまとめた表である。
[表1]

Figure 2014054800
The following is a table summarizing the details of the drive waveform and the reverse polarity waveform in the above-described examples and comparative examples.
[Table 1]
Figure 2014054800

[評価結果]
圧電アクチュエータ50の変位量は、レーザードップラ振動計を用いて計測した。
圧電アクチュエータ50の当初の変位量の絶対値を100%とした場合に、1010回繰り返し駆動波形パルスを印加したあとの変位の変化率で評価した。
ここでは、逆極性波形Rのパルス数はカウントしておらず、駆動波形Fのパルス数のみをカウントした。
[Evaluation results]
The displacement amount of the piezoelectric actuator 50 was measured using a laser Doppler vibrometer.
When the absolute value of the initial displacement amount of the piezoelectric actuator 50 was 100%, the change rate of displacement after applying the drive waveform pulse 10 to 10 times was evaluated.
Here, the number of pulses of the reverse polarity waveform R is not counted, and only the number of pulses of the drive waveform F is counted.

図10は、本実施形態の電気−機械変換素子における変位変動の評価結果を示したグラフ図であり、図11は、圧電体の変位量の変化率を示した図である。
[実施例1]〜[実施例5]については、全て変位の変動幅が3%内程度に収まっており、逆極性波形Rによって電気−機械変換膜52変位の変動が抑制されていることが分かる。
これは、駆動波形Fの印加に伴い、電気−機械変換膜52の膜厚方向で偏在してトラップされた電気−機械変換膜52中の電荷を逆極性波形が取り除いているためである。
また、逆極性波形Rは抗電界を超えていないため、電気−機械変換膜52の分極状態は長期駆動を実施しても反転を繰り返すことはない。
そのため、圧電アクチュエータ50にかかる負担が小さく、安定した変位を得ることが出来るとともに、抗電界での分極反転に伴う電流増大といった問題も回避することが出来る。
ところで、上述したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法では、逆極性波形における立ち上がり波形、立ち下がり波形を、液滴吐出ヘッドのメニスカス固有振動周期の正弦波形で規定される波形としている。これは、以下に記載する理由による。
FIG. 10 is a graph showing an evaluation result of displacement fluctuations in the electromechanical conversion element of this embodiment, and FIG. 11 is a diagram showing a change rate of the displacement amount of the piezoelectric body.
Regarding [Example 1] to [Example 5], the variation range of the displacement is all within 3%, and the variation of the displacement of the electromechanical conversion film 52 is suppressed by the reverse polarity waveform R. I understand.
This is because with the application of the drive waveform F, the reverse polarity waveform removes the charges in the electro-mechanical conversion film 52 that are unevenly distributed in the film thickness direction of the electro-mechanical conversion film 52 and trapped.
In addition, since the reverse polarity waveform R does not exceed the coercive electric field, the polarization state of the electromechanical conversion film 52 does not repeat reversal even if long-term driving is performed.
Therefore, the burden on the piezoelectric actuator 50 is small, and a stable displacement can be obtained, and the problem of current increase accompanying polarization reversal in a coercive electric field can be avoided.
By the way, as described above, in the droplet discharge head driving method according to the present invention, the rising waveform and the falling waveform in the reverse polarity waveform are defined as the sine waveform of the meniscus natural vibration period of the droplet discharge head. Yes. This is due to the reason described below.

図12は、単純に逆極性パルスを印加した場合の振動板の変位量(a)とメニスカス固有振動周期を考慮した逆極性パルスを印加した際の振動板の変位量(b)とを示したグラフ図である。
図12(a)に示される逆極性波形Rは、単純な逆極性のパルスのパターンであり、メニスカス固有振動周期を考慮していない。そのため、メニスカス固有振動周期に依存した変位を励起してしまい、印加した逆極性波形Rとは異なる変位パターン111で振動板が変位し、圧電体(電気−機械変換膜52)に対して所望の電圧が印加されていないことが分かる。
FIG. 12 shows the displacement amount (a) of the diaphragm when simply applying the reverse polarity pulse and the displacement amount (b) of the diaphragm when applying the reverse polarity pulse considering the meniscus natural vibration period. FIG.
The reverse polarity waveform R shown in FIG. 12A is a simple reverse polarity pulse pattern, and does not consider the meniscus natural vibration period. Therefore, the displacement depending on the meniscus natural vibration period is excited, the vibration plate is displaced with a displacement pattern 111 different from the applied reverse polarity waveform R, and desired for the piezoelectric body (electro-mechanical conversion film 52). It can be seen that no voltage is applied.

それに比して、図12(b)のメニスカス振動の固有周期の正弦波を用いて立ち下がり及び立ち上がりを作っている逆極性波形Rでは、共振が抑えられている。
それに伴い、変位が印加波形に対して正しく応答できているため変位変動の抑制効果を十二分に寄与することができる。
また、逆極性波形Rのパルス幅に関しても、メニスカス固有振動周期の整数倍とすることにより、[実施例2]においては、逆極性波形Rの電界強度を抗電界に対してより低くしても、効果の発現が達成できている。
逆極性の電界強度の上限は抗電界未満であり、下限は抗電界の20%以上であることが好ましく、上限は抗電界の80%がより好ましい。
On the other hand, the resonance is suppressed in the reverse polarity waveform R that makes the falling and rising using the sine wave of the natural period of the meniscus vibration of FIG.
Accordingly, since the displacement can respond correctly to the applied waveform, the effect of suppressing displacement fluctuation can be fully contributed.
Further, by setting the pulse width of the reverse polarity waveform R to an integer multiple of the meniscus natural oscillation period, in [Example 2], the electric field strength of the reverse polarity waveform R can be made lower than the coercive electric field. The expression of the effect has been achieved.
The upper limit of the electric field strength of reverse polarity is less than the coercive electric field, the lower limit is preferably 20% or more of the coercive electric field, and the upper limit is more preferably 80% of the coercive electric field.

[実施例3]においては、逆極性波形Rの印加時間が短くなっても効果の発現が達成できている。
逆極性波形Rの印加時間が短くとも、駆動波形Fの印加時間分でトラップされた電荷の抜き出しが出来ているためである。
逆極性波形Rの印加時間は、50ms以上が好ましく、より好ましくは100ms以上である。
また、変位の変動は駆動波形Fの印加に伴うトラップされた電荷の膜厚方向での偏在が進行することで生じる。
従って、駆動波形Fと逆極性波形Rとの印加時間比率が重要であり、逆極性波形Rの印加時間は駆動波形Fの印加時間の0.1倍以上であることが好ましい。
In [Example 3], even if the application time of the reverse polarity waveform R is shortened, the effect can be achieved.
This is because even if the application time of the reverse polarity waveform R is short, the trapped charges can be extracted in the application time of the drive waveform F.
The application time of the reverse polarity waveform R is preferably 50 ms or more, more preferably 100 ms or more.
Further, the variation in displacement is caused by the uneven distribution of trapped charges in the film thickness direction accompanying the application of the drive waveform F.
Therefore, the application time ratio between the drive waveform F and the reverse polarity waveform R is important, and the application time of the reverse polarity waveform R is preferably 0.1 times or more of the application time of the drive waveform F.

[実施例4]、[実施例5]においては、逆極性波形Rのパルス形状を操作している。パルス波形の立ち下がり、立ち上がりが緩やかであっても効果が確認できており、十分な逆極性波形Rの印加時間があればよい。
逆極性波形Rのパルス幅は短くても効果があるが、逆極性波形Rにより駆動中にトラップされた電荷を抽出しているため、圧電アクチュエータ50の充放電特性との兼ね合いがあるものの、パルス幅は1μsec以上であることが好ましい。
また、逆極性波形Rのパルス波形の立ち下がり時間、立ち上がり時間、パルス幅は逆極性波形の印加時間との兼ね合いもあるが、共振の抑制のために立ち下がり時間、立ち上がり時間はメニスカス固有振動周期の1倍以上の整数倍、パルス幅はメニスカス固有振動周期の1/2倍以上の整数倍及び半整数倍であることがより好ましい。
In [Embodiment 4] and [Embodiment 5], the pulse shape of the reverse polarity waveform R is manipulated. The effect can be confirmed even when the pulse waveform falls slowly and rises, and a sufficient application time of the reverse polarity waveform R is sufficient.
Even if the pulse width of the reverse polarity waveform R is short, it is effective, but since the charge trapped during driving is extracted by the reverse polarity waveform R, there is a balance with the charge / discharge characteristics of the piezoelectric actuator 50. The width is preferably 1 μsec or more.
In addition, the fall time, rise time, and pulse width of the pulse waveform of the reverse polarity waveform R have a balance with the application time of the reverse polarity waveform, but the fall time and the rise time are meniscus natural vibration periods for suppressing resonance. It is more preferable that the pulse width is an integer multiple and a half integer multiple of ½ times or more of the meniscus natural vibration period.

各比較例の評価結果は以下の通りであった。
すなわち、[比較例1]、[比較例2]では変位の変動幅が大きくなっている。
これは、[比較例1]においては逆極性波形を印加していないため、駆動中に蓄積される電荷の抜き取りが出来ておらず、経時に電荷の偏在が進行しているためである。
[比較例2]においては逆極性のDCバイアスを印加しているものの、変位は大きく変動している。[比較例3]においては、図12に示したように共振により励起される余分な振動が発生している。
The evaluation results of each comparative example were as follows.
That is, in [Comparative Example 1] and [Comparative Example 2], the fluctuation range of the displacement is large.
This is because, in [Comparative Example 1], a reverse polarity waveform is not applied, so that charges accumulated during driving cannot be extracted, and the uneven distribution of charges progresses over time.
In [Comparative Example 2], although a reverse polarity DC bias is applied, the displacement varies greatly. In [Comparative Example 3], as shown in FIG. 12, extra vibrations excited by resonance are generated.

以上説明したように、駆動波形の電圧方向とは逆極性の電圧波形を非駆動時に印加することにより、駆動波形の印加によって電気−機械変換膜52中に発生した内部電界を膜厚方向で偏在した電荷の抜き取りという形で取り除くことが出来(内部電界の発生は、駆動に伴う電気−機械変換膜52の膜厚方向での電荷の偏在により発生しているため)、且つ、このときの逆極性電圧の電圧強度を抗電界未満とすることにより、抗電界以上に印加したときの分極軸の反転を防ぐことが出来る。
さらに、本発明によっては、逆極性パルス波形における立ち上がり、立ち下がりの波形をメニスカス固有振動周期が有する正弦波で規定される波形とすることにより、内部のメニスカス固有振動周期に由来する強制振動を抑制することで、電気−機械変換素子にかかる余分な負担を低下させることで、電気−機械変換能の低下を抑制することが出来る。
なお、本発明の駆動方法は、インクと吐出するインクジェット式記録装置だけでなく、インク以外の液体を吐出する他の液体吐出装置についても適用可能であることは言うまでも無い。
また、以上の説明では、液滴吐出装置の圧電アクチュエータに用いられる圧電体の駆動方法を説明したが、圧電体(圧電アクチュエータ)単独の駆動方法にも適用可能である。その場合は、液滴吐出装置に特有のメニスカス固有周期を考慮する必要はなくなる。
As described above, an internal electric field generated in the electro-mechanical conversion film 52 due to the application of the drive waveform is unevenly distributed in the film thickness direction by applying a voltage waveform having a polarity opposite to the voltage direction of the drive waveform when not driving. The internal electric field is generated by the uneven distribution of charges in the film thickness direction of the electro-mechanical conversion film 52 due to driving, and the reverse of this case. By making the voltage intensity of the polar voltage less than the coercive electric field, it is possible to prevent the polarization axis from being reversed when applied more than the coercive electric field.
Further, according to the present invention, the rising and falling waveforms in the reverse polarity pulse waveform are defined by the sine wave having the meniscus natural vibration period, thereby suppressing the forced vibration derived from the internal meniscus natural vibration period. By doing so, the reduction of the electro-mechanical conversion capability can be suppressed by reducing the extra burden applied to the electro-mechanical conversion element.
Needless to say, the driving method of the present invention is applicable not only to an ink jet recording apparatus that ejects ink, but also to other liquid ejecting apparatuses that eject liquid other than ink.
In the above description, the driving method of the piezoelectric body used for the piezoelectric actuator of the droplet discharge device has been described. However, the present invention can also be applied to a driving method of a piezoelectric body (piezoelectric actuator) alone. In that case, it is not necessary to consider the meniscus natural period peculiar to the droplet discharge device.

1 記録装置本体、2 印字機構部、4 給紙カセット、5 トレイ、6 排紙トレイ、7 主ガイドロッド、8 従ガイドロッド、9 キャリッジ、10 記録ヘッド、11 インクカートリッジ、12 主走査モータ、13 駆動プーリ、14 従動プーリ、15 タイミングベルト、16 給紙ローラ、17 フリクションパッド、18 ガイド部材、19 搬送ローラ、20 搬送コロ、21 先端コロ、22 副走査モータ、23 印写受け部材、24 搬送コロ、25 拍車、26 排紙ローラ、27 拍車、28 ガイド部材、30 回復装置、40 インクジェットヘッド、50 圧電アクチュエータ、51 上部電極、52 機械変換膜、53 下部電極、60 ノズルプレート、61 ノズル孔、70 圧力室基板、71 圧力室、80 振動板、90 密着層、100 シリコン単結晶基板材料、101 成膜振動板材料、102 第1の電極材料、103 機械変換膜材料、104 第2の電極材料 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Recording device main body, 2 Printing mechanism part, 4 Paper feed cassette, 5 Tray, 6 Paper discharge tray, 7 Main guide rod, 8 Sub guide rod, 9 Carriage, 10 Recording head, 11 Ink cartridge, 12 Main scanning motor, 13 Drive pulley, 14 driven pulley, 15 timing belt, 16 feed roller, 17 friction pad, 18 guide member, 19 transport roller, 20 transport roller, 21 tip roller, 22 sub-scanning motor, 23 printing receiving member, 24 transport roller , 25 spur, 26 discharge roller, 27 spur, 28 guide member, 30 recovery device, 40 inkjet head, 50 piezoelectric actuator, 51 upper electrode, 52 mechanical conversion film, 53 lower electrode, 60 nozzle plate, 61 nozzle hole, 70 Pressure chamber substrate, 71 pressure chamber, 80 diaphragm, 90 Adhesion layer, 100 Silicon single crystal substrate material, 101 Film-forming diaphragm material, 102 First electrode material, 103 Mechanical conversion film material, 104 Second electrode material

特開平6−342946号公報JP-A-6-342946 特開2003−80698公報JP 2003-80698 A

Claims (10)

電圧を印加されることにより変形する圧電体の駆動方法であって、
前記圧電体に対して、電界強度が前記圧電体の抗電界を超える第1の波形を印加した後、前記第1の波形に対して逆極性であり、且つ電界強度が前記抗電界未満のパルス波形である第2の波形を印加することを特徴とする圧電体の駆動方法。
A driving method of a piezoelectric body that is deformed by applying a voltage,
After applying a first waveform whose electric field strength exceeds the coercive electric field of the piezoelectric material to the piezoelectric body, a pulse having a reverse polarity to the first waveform and an electric field strength less than the coercive electric field A method for driving a piezoelectric body, comprising applying a second waveform which is a waveform.
電圧を印加されることにより変形する圧電体を有し、該圧電体の変形に伴う液室容積の変化によって前記液室と連通するノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
前記圧電体に対して、電界強度が前記圧電体の抗電界を超える第1の波形を印加した後、前記第1の波形に対して逆極性であり、且つ電界強度が前記抗電界未満のパルス波形である第2の波形を印加することを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
A method of driving a droplet discharge head, which has a piezoelectric body that is deformed by application of a voltage, and discharges droplets from nozzle holes that communicate with the liquid chamber by a change in the volume of the liquid chamber accompanying the deformation of the piezoelectric body. There,
After applying a first waveform whose electric field strength exceeds the coercive electric field of the piezoelectric material to the piezoelectric body, a pulse having a reverse polarity to the first waveform and an electric field strength less than the coercive electric field A driving method of a droplet discharge head, wherein a second waveform which is a waveform is applied.
請求項2に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第2の波形の電界強度が、前記抗電界の20%以上であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
The method for driving a droplet discharge head according to claim 2,
The method of driving a droplet discharge head, wherein the electric field intensity of the second waveform is 20% or more of the coercive electric field.
請求項2又は3に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第2の波形は、パルス波形の立ち下がり及び立ち上がりが、前記液滴吐出ヘッドのメニスカス固有振動周期を示す正弦波に基づくことを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
In the driving method of the droplet discharge head according to claim 2 or 3,
The method of driving a droplet discharge head, wherein the second waveform is based on a sine wave that indicates a meniscus natural oscillation period of the droplet discharge head when the pulse waveform falls and rises.
請求項4に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第2の波形の前記立ち下がり時間は、前記正弦波の角周波数π/2乃至3π/2の区間に設定され、
前記第2の波形の前記立ち上がり時間は、前記正弦波の角周波数−π/2乃至π/2の区間に設定されることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
The method of driving a droplet discharge head according to claim 4,
The fall time of the second waveform is set to an interval of the sine wave angular frequency π / 2 to 3π / 2,
The method of driving a droplet discharge head, wherein the rise time of the second waveform is set in an interval of an angular frequency of the sine wave from −π / 2 to π / 2.
請求項4又は5に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第2の波形の前記立ち下がり時間及び前記立ち上がり時間が前記メニスカス固有振動周期の整数倍であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
In the driving method of the droplet discharge head according to claim 4 or 5,
The method of driving a droplet discharge head, wherein the fall time and the rise time of the second waveform are an integral multiple of the meniscus natural vibration period.
請求項4乃至6の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第2の波形のパルス幅は、前記メニスカス固有振動周期の整数倍であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
The method for driving a droplet discharge head according to any one of claims 4 to 6,
The method of driving a droplet discharge head, wherein the pulse width of the second waveform is an integral multiple of the meniscus natural vibration period.
請求項4乃至6の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第2の波形のパルス幅は、前記メニスカス固有振動周期の半整数倍であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
The method for driving a droplet discharge head according to any one of claims 4 to 6,
The method of driving a droplet discharge head, wherein the pulse width of the second waveform is a half integer multiple of the meniscus natural vibration period.
電圧を印加されることによって変形する圧電体と、該圧電体の変形によって容積が変化する液室と、該液室と連通し前記液室の容積の変化によって前記液室内の液体を液滴として吐出するノズル孔と、前記圧電体に駆動波形を印加する波形印加手段と、を備え、
前記波形印加手段は、請求項2乃至8の何れか一項に液滴吐出ヘッドの駆動方法により前記圧電体を駆動することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A piezoelectric body that deforms when a voltage is applied thereto, a liquid chamber whose volume changes due to the deformation of the piezoelectric body, and a liquid that communicates with the liquid chamber and changes in volume of the liquid chamber as droplets. A nozzle hole for discharging, and a waveform applying means for applying a driving waveform to the piezoelectric body,
9. The liquid droplet ejection head according to claim 2, wherein the waveform applying unit drives the piezoelectric body by a method for driving the liquid droplet ejection head.
請求項9に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像記録装置。   An image recording apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 9.
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